Олимпиады · IEPhO

IEPhO 2013, 10 класс

5 задач

зад 1 Трение и упругость

Механика › ДинамикаСила трения: покой и проскальзываниеСила упругости, пружины и их соединенияИзмерения и погрешностисложность 6/10

Параллельное соединение резинок

Все измерения деформаций проводите в двух «направлениях» – при нагрузке (последовательно увеличивая число повешенных грузов) и при разгрузке (последовательно уменьшая число подвешенных грузов).

В тех пунктах, где это нужно, не забудьте привести использованные вами расчётные формулы.

Рисунок

Часть A. Одна резинка

A1. Выданная вам резинка разделена центральным узлом на 2 части длиной \(10\) и \(20~см\). В этом пункте нужно использовать только часть резинки длиной \(20~см\) (второй кусок свободно висит в воздухе). Закрепите в штативе (или на гвозде вертикальной доски) нить, привязанную к резинке длиной \(20~см\). Измерьте зависимость удлинения резинки от массы подвешенного груза (грузы складывать в стакан, привязанный к центральной части резинки).

A2. Проведите такие же измерения для куска резинки длиной \(10~см\).

A3. Постройте графики полученных зависимостей. По линейным участкам графиков вычислите коэффициенты упругости для обеих резинок. Укажите погрешности этих коэффициентов.

A4. Постройте графики зависимости относительной деформации (отношение удлинения к длине нерастянутой резинки) от массы подвешенного груза для обеих резинок.

A5. Используя данные предыдущих измерений, оцените, насколько растянется резинка длиной \(1~см\) под весом груза в \(500~г\).

Часть B. Сдвоенная резинка

B1. Закрепите обе нити на концах резинки в штативе (или на гвозде вертикальной доски) так, чтобы центральный узел был в нижней точке при нерастянутых резинках (схема установки указана на рисунке). Измерьте зависимость удлинения такой сдвоенной резинки от массы подвешенного груза.

B2. Постройте график полученной зависимости. По его линейному участку вычислите коэффициент упругости \(k\) сдвоенной резинки. Укажите погрешность.

B3. Используя измерения, выполненные в части A1, вычислите теоретическое значение коэффициента упругости \(k\) сдвоенной резинки. Сравните теоретическое значение с измеренным экспериментально.

Часть C. Гистерезис

C1. Используя данные, полученные при выполнении части A, рассчитайте какая энергия поглощается в резинках длиной \(10\) и \(20~см\) при последовательных нагрузке до \(500~грамм\) и разгрузке до нерастянутого положения.

Явление застоя

Соберите установку, показанную на рис. 1: доска закреплена на столе, к крайнему гвоздику прикреплён резиновый жгут; нить, привязанная к его другому концу, переброшена через стержень. В подвешенный на ней стаканчик можно складывать грузы.

Рисунок

Рис. 1

Внимание: Во время измерений необходимо убедиться, что нить не касается столешницы (в том числе торца)! Резину из первой и второй частей можно считать идентичной.

Теоретическая подсказка:

При скольжении нити по неподвижному стержню (рис. 2) из-за наличия трения модули сил натяжения нити по разные стороны от стержня связаны соотношением

\[T_1 = \beta T_0, \qquad(1) \tag{1}\]\(\beta\) - постоянный коэффициент (очевидно, что \(\beta < 1\)), зависящий от коэффициента трения нити о стержень.

В данной задаче нить можно считать нерастяжимой.

Рисунок

Рис. 2.

Часть D. Статика

D1. Определите экспериментально, при каких значениях деформации резинового жгута груз может находиться в состоянии покоя для различных масс подвешенных грузов.

D2. Постройте на одном рисунке графики зависимостей максимальной \(x_{\max}\) и минимальной \(x_{\min}\) деформации резинового жгута (границ зоны застоя), при которых система может находиться в состоянии покоя, от массы подвешенного груза.

D3. На том же рисунке постройте график зависимости деформации жгута от массы подвешенного груза в случае отсутствия трения (то есть в условиях первой части).

D4. Постройте графики зависимостей силы натяжения жгута от массы грузов для минимальной и максимальной деформации резинового жгута (на одном рисунке). Посчитайте угловые коэффициенты для полученных графиков. Оцените погрешность полученного результата. Найдите теоретическое соотношение между данными коэффициентами и сравните с полученными вами результатами.

D5. Рассчитайте численное значение коэффициента \(\beta\) в формуле \((1)\), оцените погрешность полученного результата.

Часть E. Динамика

Если груз вывести из зоны застоя (обозначим начальную координату \(x_0\)), то он начнет двигаться до остановки в некоторой точке с координатой \(x_1\).

Рисунок

Теоретическое введение

E1. Рассмотрите брусок массы \(m\), прикреплённый к пружине жёсткости \(k\). Система колеблется на горизонтальной плоскости с коэффициентом трения \(\mu\). Найдите зависимость координаты точки остановки груза \(x_1\) от его начальной координаты \(x_0\) (груз движется вдоль оси \(Ox\)). Постройте график найденной зависимости.

Экспериментальное продолжение с резиновым жгутом

E2. Исследуйте экспериментально зависимость координаты точки остановки груза \(x_1\) от его начальной координаты \(x_0\) для грузов суммарной массы \(300~г\). Для каждого значения \(x_0\) сделайте, по меньшей мере, три измерения.

E3. Постройте график полученной зависимости.

E4. Объясните основные отличия полученной зависимости от теоретической зависимости, найденной в пункте E1 (для каждого участка графика).

Оборудование

Для частей A, B и C:

  1. Резинка \(30~см\) с закрепленными нитями

  2. Штатив с лапкой либо вертикальная доска с гвоздём

  3. Измерительная лента

  4. Набор грузов \(10\times50~ г\)

  5. Нитки

  6. Скотч

Для частей D и E:

  1. Набор \(10\) грузов по \(50~г\)

  2. Резиновый жгут длины \(8~см\)

  3. Нитки

  4. Подставка для установки (доска с закреплённым пластмассовым стержнем)

  5. Линейка \(50~см\)

  6. Пластиковый стаканчик

▶ОтветСкрыть
Ответ

A5: \[\delta l = \varepsilon l \approx 2.5~см\];  C1: Для \(L=20~ см\) – \(Q = 0.28 ~Дж\) Для \(L=10~ см\) – \(Q = 0.08 ~Дж\);  D2: Область линейности \(S~ \in [50, 250] ~мм\). Верхняя граница: для \(x=aN+b\) \[a=(58 \pm 5)~мм \\ b=-(64 \pm18)~мм\]Нижняя граница: для \(x=aN+b\)\[a=(30.6 \pm 1.1)~мм \\ b=-(67 \pm8)~мм\];  D4: Нижняя граница: \(a=0.78 \pm 0.05\), \(b=-0.21 \pm0.20\thickapprox 0\). Верхняя граница: \(a=1.38 \pm 0.06\), \(b=0.09 \pm0.9\thickapprox 0\).;  D5: Здесь \(\beta ={1}/{a} =0.72\), \(\Delta \beta = 0.03\)

▶РешениеСкрыть
Решение

A1. Длина резинки \(20~ см\).

Ответ:

\(m,~г\)050100150200250300350400450500
\(l_+,~см\)20.522.024.028.534.042.049.055.562.067.073.0
\(\delta l_+,~см\)0.52.04.08.514.022.029.035.542.047.053.0
\(l_-,~см\)21.024.028.534.042.050.058.064.568.571.573.0
\(\delta l_-,~см\)1.04.08.514.022.030.038.044.548.554.553.0
\(\varepsilon_+\)0.030.100.200.430.701.101.451.782.102.352.65
\(\varepsilon_-\)0.050.200.430.701.101.501.902.232.432.582.65

A2. Длина резинки \(10 ~см\).

Ответ:

\(m,~г\)050100150200250300350400450500
\(l_+,~см\)10.011.012.514.818.423.327.130.533.035.237.0
\(\delta l_+,~см\)0.01.02.54.88.413.317.120.523.025.227.0
\(l_-,~см\)10.012.014.616.620.725.529.432.734.736.237.2
\(\delta l_-,~см\)0.02.04.66.610.715.519.422.724.726.227.2
\(\varepsilon_+\)0.000.100.250.480.3841.331.712.052.302.522.70
\(\varepsilon_-\)0.000.200.460.661.071.551.942.272.472.622.72

A3. Ответ:

Рисунок

Ответ:

Рисунок

A4. Ответ:

Рисунок

A5. Величина деформации для \(l = 1 ~см\):

Ответ:

\[\delta l = \varepsilon l \approx 2.5~см\]

B1. Ответ:

\(m,~г\)050100150200250300350400450500
\(l_+,~см\)2021.222.12324.225.42728.93133.335.3
\(\delta l_+,~см\)01.22.134.25.478.91113.315.3

B2. Ответ:

Рисунок

Ответ:

Рисунок

B3. Коэффициенты наклона (по МНК) \(\alpha = {\Delta l}/{\Delta m}\). Коэффициенты жесткости

\[k = \frac{\Delta F}{\Delta l} = \frac{g\Delta m}{\Delta l} = \frac{g\cdot 10^{-3}\Delta m(г)}{10^{-2}\Delta l(см)} = a^{-1}~{Н}/{м} \\ a = 0.14\pm0.01 \tag{2}\]

\(L=20~ см\):

\[k_{20} = 7.1\pm0.5~{Н}/{м} \\ a = 0.084\pm0.007 \tag{3}\]

\(L=10 ~см\):

\[k_{20} = 11.9\pm0.9~{Н}/{м} \\ a = 0.040\pm0.002 \tag{4}\]Сдвоенная:

Ответ:

\[k_{20} = 25\pm0.6~{Н}/{м} \tag{5}\]Есть очень примерное совпадение (теоретически должна быть сумма т.е. \(20~{Н}/{м}\))

C1. Количество выделившейся теплоты – площадь петли гистерезиса.

\[Q = s'\cdot g\cdot 10^{-3}\cdot10^{-2}~Дж=s'\cdot10^{-4}~Дж \tag{6}\]

Ответ:

Для \(L=20~ см\) – \(Q = 0.28 ~Дж\)

Для \(L=10~ см\) – \(Q = 0.08 ~Дж\)

D1. Ответ:

\(N\)012345678910
\(x_1, ~мм\)0616315179111146171197229
\(x_2, ~мм\)02053105173223272289312321326
\(x_0, ~мм\)013285090140190230265280310
\(F_1,~{Н}\)00.61.22.02.83.84.65.35.76.26.9
\(F_2,~{Н}\)01.42.94.55.86.88.39.110.310.911.2

D2. Ответ:

Рисунок

Ответ:

Рисунок

Ответ:

Область линейности \(S~ \in [50, 250] ~мм\).

Верхняя граница: для \(x=aN+b\) \[a=(58 \pm 5)~мм \\ b=-(64 \pm18)~мм\]Нижняя граница: для \(x=aN+b\)\[a=(30.6 \pm 1.1)~мм \\ b=-(67 \pm8)~мм\]

D3.

D4. Ответ:

Рисунок

Здесь \(F = a N+b\).

Ответ:

Нижняя граница: \(a=0.78 \pm 0.05\), \(b=-0.21 \pm0.20\thickapprox 0\).

Верхняя граница: \(a=1.38 \pm 0.06\), \(b=0.09 \pm0.9\thickapprox 0\).

D5. Ответ:

Здесь \(\beta ={1}/{a} =0.72\), \(\Delta \beta = 0.03\)

E1. Ответ:

Рисунок

E2. Ответ:

\(x_0, ~мм\)\(x_1, ~мм\)\(x_0, ~мм\)\(x_1, ~мм\)\(x_0, ~мм\)\(\langle x_1\rangle, ~мм\)\(\Delta x_1, ~мм\)\(x_0, ~мм\)\(x_1, ~мм\)
1151671901902652002.4360162
1201621951952701973.4370158
1251602001952751924.1380157
1301552051962801912.7390155
1351502101962851936.7400155
1411412151962901895.1410155
1451452201962951844.0420154
1501502251963001813.4430154
1551552301973051843.8440155
1601602351973101783.7450169
1651652401973151822.2460179
1701702451973201801.5470179
1751752501983301662.0\(-\)\(-\)
1801802551983401685.4\(-\)\(-\)
1851852601983501623.9\(-\)\(-\)

E3. Ответ:

Рисунок

E4.

Источник: pho.rs/p/3889.

зад 2 Неупругое столкновение линеек

Механика › Законы сохраненияНеупругие столкновенияИзмерения и погрешностисложность 6/10

A1. Определите долю механической энергии, которая во время удара двух линеек превращается в тепло (теряется) в системе отсчета центра масс линеек.

Линейки должны соударяться торцами и сохранять поступательный характер движения после удара. Легкую линейку кладите на стол шкалой вниз.

Оборудование

  1. Линейки длиной \(20~см\) с отношением масс \(1:2\) (одна из линеек представляет собой две склеенные одинаковые линейки)

  2. Мерная лента с миллиметровыми делениями длиной \(1~м\)

  3. Скотч: 4 кусочка по \(5~см\) длины каждый

  4. Горизонтальная поверхность стола

▶ОтветСкрыть
Ответ

A1: \[\gamma_{\max}= 0.39\qquad \gamma_{\min}= 0.36.\] \[3/4\quad\text{или}\quad75\%\]

▶РешениеСкрыть
Решение

A1. К столу параллельно друг другу приклеиваются две половинки разрезанной мерной ленты на таком расстоянии, чтобы, линейкам можно было скользить по поверхности стола, не задевая эти куски ленты. Неподвижная до удара (легкая) линейка располагается между этими лентами так, чтобы ее торец, по которому впоследствии произойдет удар, был расположен напротив определенных меток на мерной ленте. После удара можно измерить сдвиг этого торца вдоль стола. Вторая линейка (тяжелая) до запуска должна располагаться на столе так, чтобы один из ее торцов высовывался на \(1-0.5~см\) за край стола. По этому торцу будет наноситься удар, который приводит линейку в движение. Торец налетавшей линейки, который совершит удар, тоже сдвинется после удара от той же метки на некоторое расстояние. Отношение этих сдвигов и является единичным экспериментальным результатом. Если поверхности линеек, соприкасающиеся со столом одинаковые, то разумно предположить, что коэффициент трения линеек о стол одинаков, поэтому длина пройденного пути при наличии трения пропорциональна начальному запасу кинетической энергии поступательного движения линеек отнесенному к массе линейки. То есть:

\[MS\mu g = \frac{MV^2}{2} \implies S \sim  V^2\]Чтобы выполнилось условие «одинаковости», нужно линейку меньшей массы положить на стол измерительной шкалой вниз. Если это не сделать, то наличие бумажной наклейки на линейке не позволяет считать, что соприкасающиеся поверхности одинаковы! Это должно быть обязательно отражено в работе.

Решение должно содержать таблицу первичных расстояний смещения и величины их отношений. По результатам нескольких «ударных» экспериментов и вычислений отношений определяется среднее значение и разброс величин отношений вблизи этого среднего значения. Обычный результат отношения лежит в диапазоне: \(5 \pm 1\). То есть разброс полученных отношений составляет \(20\%\). При этом самая большая приборная ошибка возникает при  измерении смещения после удара движущейся до удара линейки. Среднее смещение для тяжелой линейки составляет \(25~мм\), а точность измерений примерно \(\pm 1~ мм\) (налетает тяжелая линейка, а легкая до удара покоится!). Погрешность измерения составляет \(4\%\). Для того, чтобы путем усреднения результатов, полученных в нескольких первичных экспериментах, довести относительную ошибку вычисления отношения смещений до величины приборной погрешности (\(4\%\)), нужно провести не меньше, чем \(({20\%}/{4\%})^2=25\) измерений. При меньшем числе первичных измерений результат усреднения не позволяет получить относительную погрешность порядка погрешности измерительного прибора.

При абсолютно упругом ударе двух тел с разными массами \(M\) и \(m\), из которых одно до удара покоилось, скорость двигавшейся \((M)\) до удара линейки станет равной: \({V\,(M-m)}/{(M+m)}\), а скорость покоившейся до удара линейки будет равной: \(U = V\cdot{2M}/{(M+m)}\). Отношение масс линеек равно \(2\). Если до удара двигалась тяжелая линейка, а легкая покоилась, то скорость тяжелой линейки станет равной:\[\frac{V(M-m)}{(M+m)} = \frac{V}{3},\]а скорость легкой линейки будет равной:\[U = V\cdot \frac{2M}{(M+m)}= \frac{4V}{3}.\]Отношение расстояний, которые линейки проскользят по поверхности стола с одинаковыми (предположение) коэффициентами трения должно быть при абсолютно упругом ударе равным \(16\), а на самом деле (экспериментально полученное значение) оно равно \(5.4\pm 0.16.\) То есть удар не является абсолютно упругим, и часть энергии при ударе теряется.

Теория

Пересядем в СО центра масс. В этой СО скорости линеек до удара равны:

\(+{mV}/{(M+m)}\)  и \(- {MV}/{(M+m)}\).

После частично неупругого удара сохранилась \(\gamma\) часть энергии, а потерялась доля энергии, равная \(\beta = 1- \gamma\), скорости линеек после удара равны \(- {mV\sqrt\gamma}/{(M+m)}\)и \(+{MV\sqrt\gamma}/{(M+m)}\).

После возвращения в исходную СО скорости линеек будут такими:

\(V{(1-{m\sqrt\gamma}/{M})}/{(1+{m}/{M})}\) для налетавшей линейки (с массой \(M\)).

\(V{(1+\sqrt\gamma)}/{(1+{m}/{M})}\) для линейки, которая до удара покоилась (с массой \(m\)).

Отношение путей, которые линейки проскользят по горизонтальной поверхности после удара равно:\[\left(\frac{1+\sqrt\gamma}{1-{m \sqrt\gamma}/{M}} \right)^2\]

Для эксперимента, в котором налетает тяжелая линейка, а до удара покоится легкая линейка, получается отношение расстояний равное:\[\left(\frac{1+\sqrt\gamma}{1-\sqrt\gamma/2} \right)^2  \qquad(1)\]По результатам обработки экспериментальных данных максимальное и минимальное значения \(\gamma\) равны:

Ответ:

\[\gamma_{\max}= 0.39\qquad \gamma_{\min}= 0.36.\]

Поэтому потерянная часть энергии \(\beta = (1-\gamma)\) находится в диапазоне от \(0.61\) до \(0.64\).

Для эксперимента, в котором налетает легкая линейка, а до удара покоится тяжелая линейка, получается отношение расстояний равное:

\[\left(\frac{1+\sqrt\gamma}{1-2\sqrt\gamma} \right)^2  \qquad(2)\]При этом во втором случае легкая линейка после удара меняет направление скорости. Подставив в эту формулы значения \(\gamma_{\max}\) и \(\gamma_{\min}\), полученные в первом эксперименте, вычислим значения отношений расстояний для случая, когда до удара покоилась тяжелая линейка: от \(64\) до \(22\). Обозначив отношение расстояний \({L_м}/{L_б}\) символом \(x\), получим для коэффициента потерь величину

\[\beta=\cfrac{3\sqrt{x}(4-\sqrt{x})}{(2+\sqrt{x})^2} \qquad(3)\]В данной задаче экспериментальные данные, полученные во втором случае, не следует использовать для вычислений доли потерь энергии при ударе, так как разброс значений \(x\) получается очень большим. Этот (второй) случай можно использовать в качестве проверки для результатов, полученных в первом случае.

Второе решение

Обозначим символом \(\alpha =V_2/V_1\)  отношение модуля скорости лёгкой линейки к скорости тяжёлой линейки в лабораторной системе отсчёта после удара. Учитывая, что тормозные пути линеек после удара связаны со скоростью формулами \({V_1}^2 =  2μgS_1\) и \({V_2}^2 =2μgS_2\) получим:

\[\alpha = \frac{V2}{V1} =\sqrt{\frac{S_2}{S_1}},\] где  \(S_2~ и~ S_1\) – измеряемые в эксперименте тормозные пути легкой и тяжёлой линеек, соответственно.

Кинетическая энергия линеек непосредственно перед ударом в СЦМ:\[K_0 = \frac{1}{2} \mu_{пр}{V_{отн1}}^2,\]где \(\mu_{пр} = \frac{Mm}{(M+m)}\) – приведённая масса линеек, а \(V_{отн1} = V_0\) – относительная скорость линеек до удара, равная скорости V0 налетающей (тяжёлой) линейки.

Кинетическая энергия линеек сразу после удара:\[K = \frac{1}{2}\mu_{пр}{V_{отн 2}}^2.\]

Из закона сохранения импульса (при \(M=2m\)):

\[2V_0= 2V_1 + V_2= (2+\alpha)V_1\implies V_1=\frac{2V_0}{2+\alpha} ; V_2=\frac{2\alpha V_0}{(2+\alpha)}\]

Относительные скорость линеек после удара СOЦМ и лабораторной СО одинаковые:

\[V_{отн 2} = V_2 - V_1 = \frac{2(\alpha - 1)}{(2 + \alpha)}V_0\qquad K = \frac{1}{2}\mu_{пр}{V_{отн2}}^2 = K_0 \cdot 4\frac{{(\alpha – 1)}^2}{(2 +\alpha)^2}\]

Потеря энергии\[\Delta K = K_0 - K = \frac{1 - 4(\alpha - 1)^2}{(2 + \alpha)^2} K_0 = \frac{3\alpha(4 - \alpha)}{(\alpha + 2)^2}\]Итак, относительные потери энергии в СOЦМ при столкновении линеек выражается через отношение их тормозных путей \(\alpha = \sqrt{{S_2}/{S_1}}\) по формуле (рабочая формула работы):

\[\frac {\Delta K }{K_0} =  \frac{3\alpha(4-\alpha)}{(\alpha+2)^2}  \qquad(4)\]

Третье решение

Если на тяжелую линейку налетает легкая, то, как показывают эксперименты, легкая линейка отскакивает назад на весьма малое расстояние, которое во много раз меньше того расстояния, на которое после удара смещается тяжелая линейка. Для приблизительной оценки доли потерь энергии можно считать, что легкая линейка просто останавливается. Тогда получается, что весь имевшийся до удара у системы из двух линеек импульс после удара достался тяжелой линейке. То есть ее скорость после удара в лабораторной системе отсчета, где стол покоится, стала в два раза меньше скорости легкой линейки, которую та имела до удара. Потеря энергии системой равна в таком случае:

\[Q=\frac{P^2}{2m} - \frac{P^2}{4m} = \frac{P^2}{4m}.\]

Эта потеря одинакова во всех системах отсчета. В системе отсчета центра масс начальная кинетическая энергия системы равна:

\[\frac{P^2}{2m} - \frac{P^2}{6m} = \frac{P^2}{3m}.\]

Следовательно, доля энергии, потерянной при ударе в СО центра масс равна:

Ответ:

\[3/4\quad\text{или}\quad75\%\]

Клей слабо связывает склеенные линейки, поэтому нижняя линейка получает импульс налетавшей легкой линейки, а верхняя из склеенных линеек потом приходит в движение вместе с нижней.

Источник: pho.rs/p/3893.

зад 3 Шприц

Механика › ДинамикаСила трения: покой и проскальзываниеИзмерения и погрешностисложность 5/10

A1. Определите силу трения между поршнем и цилиндром шприца.

A2. Оцените погрешность измерения.

Оборудование

  1. Линейка

  2. Шприц

Примечание:

▶ОтветСкрыть
Ответ

A1: \[F_{\mu}=\frac{V_0} {l_0}\cdot p\cdot\frac{V_0-V_1}{V_1}=0.95~Н\]

▶РешениеСкрыть
Решение

A1. После того, как конец шприца будет закрыт пальцем:

Рисунок

Затем, когда шприц нажимается, а затем отпускается, он не возвращается в исходное положение, а остается в положении:

Рисунок

Сила трения \(F_{\mu}\) равна силе от разности давлений \(F_{\Delta p}\) :

\[F_{\mu}= F_{\Delta p}=S\Delta p=S(p_1 - p_0)=\frac{V_0}{l_0}\,p_0\,\frac{(V_0-V_1)}{V_1},\qquad S= \frac{V_0}{l_0}\]Когда \(T=\operatorname{const}\) (перемещения должны быть достаточно медленными для изотермы)

\[pV=\frac{m}{\mu}\,RT=\operatorname{const}\\p_0V_0 =p_1V_1, \qquad p_1=P_0\,\frac{V_0}{V_1}\]Численные значения:\[V_0=(100.0\pm0.05)\cdot10^{-2}   мл=(100.0\pm0.05)\cdot10^{-8} м^3 \\l_0=(56.5\pm0.5) мм=(0.056\pm0.005) м\\ p_0=98.4 кПа\]

\(№\)1234567891011
\(V_1,~10^{-8}~м^3\)6563656564656765676164

\[\implies V_1=64.6\cdot10^{-8}~м^3 ,\qquad\Delta V_1 \approx2\sigma V_1=3.4\cdot10^{-8}~м^3\]

Ответ:

\[F_{\mu}=\frac{V_0} {l_0}\cdot p\cdot\frac{V_0-V_1}{V_1}=0.95~Н\]

A2. \[\frac{\Delta F_{\mu}}{F{\mu}}=\frac{\Delta V_0+\Delta V_1}{V_0-V_1}+\frac{\Delta V_1}{V_1}+ \frac{\Delta V_0}{V_0}+\frac{\Delta l_0}{l_0} =0.176 \\\Delta F_{\mu}=0.176\cdot0.95~Н=0.17~Н\]

Ответ:

\[F_{\mu}=(0.95\pm0.17)~Н\]

Источник: pho.rs/p/3894.

зад 4 Чем и как питаться?

Электрические цепи › Постоянный токЗакон Ома, сопротивлениеИсследование установки, «процессы и измерения»сложность 6/10

Для изучения характеристик различных элементов электрических цепей необходимо изменять напряжение. Для изменения напряжения используются различные способы. В данной задаче вам предстоит исследовать возможности изменения напряжения на исследуемом элементе с помощью потенциометра с максимальным сопротивлением, примерно равным \(R_0 \approx 5 ~Ом\).

Потенциометр можно использовать в цепи как резистор с переменным сопротивлением (реостат) (обозначение 1) с двумя выводами, либо как потенциометр (обозначение 2) с тремя выводами. В качестве нагрузки во всех случаях используйте второй реостат, как переменный резистор.

Рисунок

Часть A. Подготовительная

A1. Измерьте максимальное напряжение на источнике \(U_0\), подключив к нему цифровой вольтметр напрямую.

A2. Измерьте максимальные сопротивления обоих потенциометров \(R_{10}, R_{20}\) подключив к ним мультиметр (как цифровой омметр) напрямую.

При измерении сопротивлений цепь питания должна быть отключена.

В дальнейшем потенциометр с сопротивлением \(R_{10}\) используйте в цепи питания, потенциометр с сопротивлением \(R_{20}\) в цепи нагрузки. 

В двух следующих частях Вам предстоит исследовать две схемы регулируемого источника («цепь питания»). Схемы «цепи питания» приведены в условии задачи. Включайте цепь питания только во время проведения измерений.

К этим схемам необходимо подключать «цепь нагрузки». Сопротивление нагрузки должно изменяться в максимально возможном диапазоне. Используя предоставленные измерительные приборы, Вам будет необходимо измерять силу ток в нагрузке и напряжение на ней.

Рисунок

A3. Приведите электрическую схему «цепи нагрузки», удовлетворяющую этим требованиям. Опишите, как Вы будете измерять сопротивление нагрузки.

A4. Подключите «цепь нагрузки» напрямую к батарейке. Изменяя сопротивление нагрузки, измерьте зависимость напряжения \(U\) от силы тока \(I\) в цепи нагрузки.

A5. Постройте график зависимости \(U(I)\), где \(U\) напряжение на нагрузке и \(I\) – ток в ней. Качественно объясните полученную зависимость.

A6. Постройте график зависимости мощности, выделяющейся на нагрузке от её сопротивления. Качественно объясните полученную зависимость.

Часть B. Традиционная схема 1

Исследуйте цепь питания, схема которой показана на рисунке.

Рисунок

B1. Считая источник идеальным источником напряжения, рассчитайте, в каких пределах \([U_{\min}, U_{\max}]\) можно изменять напряжение на нагрузке с помощью данной цепи питания, если ее сопротивление равно \(R_x\).

B2. Измерьте зависимости максимального \(U_{\max}\) и минимального \(U_{\min}\) напряжения на нагрузке от ее сопротивления \(R_x\).

B3. Постройте графики полученных зависимостей. На этом же бланке постройте графики теоретических зависимостей, рассчитанные по формулам, полученными вами в пункте B1.

B4. Качественно объясните причины наблюдающихся различий.

Часть C. Традиционная схема 2

Исследуйте цепь питания, схема которой показана на рисунке.

Рисунок

C1. Считая источник идеальным источником напряжения, рассчитайте, в каких пределах \([U_{\min};U_{\max}]\) можно изменять напряжение на нагрузке с помощью данной цепи питания, если ее сопротивление равно \(R_x\).

C2. Измерьте зависимости максимального \(U_{\max}\) и минимального \(U_{\min}~\) напряжения на нагрузке от ее сопротивления \(R_x\).

C3. Постройте графики полученных зависимостей. На этом же бланке постройте графики теоретических зависимостей, рассчитанные по формулам, полученными вами в п. C1.

C4. Качественно объясните причины наблюдающихся различий.

Оборудование

  1. Источник питания (батарейка)

  2. Да потенциометра примерно \(5~Ом\)

  3. Цифровой вольтметр

  4. Цифровой амперметр

  5. Соединительные провода

▶ОтветСкрыть
Ответ

A1: В результате измерений получено значение \(U_0 = 3.7 ~ В\). Примечание. Данное значение может быть иным, в зависимости от свежести батарейки.;  A2: В результате измерений получено \(R_{10} = 5.8 ~ Ом\), \(R_{20} = 5.5 ~ Ом\). Примечание. Данное значение может быть иным, в зависимости от реостата.;  A5: Эти графики подтверждают сделанное предположение – напряжение на выходе источника уменьшается при увеличении силы тока через него.;  B4: Во всем диапазоне теоретические значения напряжений заметно превышают измеренные значения. Единственная возможная причина – уменьшение напряжения источника при увеличении силы тока через него.

▶РешениеСкрыть
Решение

A1. Ответ:

В результате измерений получено значение \(U_0 = 3.7 ~ В\).

Примечание. Данное значение может быть иным, в зависимости от свежести батарейки.

A2. Ответ:

В результате измерений получено \(R_{10} = 5.8 ~ Ом\), \(R_{20} = 5.5 ~ Ом\).

Примечание. Данное значение может быть иным, в зависимости от реостата.

A3. Ответ:

Для выполнения заданий необходимо измерять напряжение \(U\) на реостате и силу тока \(I\) через него. Тогда сопротивление реостата можно рассчитать по закону Ома.

Схема измерений приведена на рисунке.

Для получения необходимых данных следует провести измерения силы тока в цепи и напряжения на реостате.

Сопротивление реостата рассчитывается по формуле \((1)\), а мощность, выделяющаяся на реостате, – по формуле

\[P = UI \qquad(5) \tag{1}\]

A4. В таблице ниже приведены результаты измерений и соответствующих расчетов.

Ответ:

\(U, ~В\)3.002.802.602.402.202.001.801.601.401.201.000.80
\(I, ~А\)0.4750.5900.7600.9001.0251.1501.3001.4251.6001.7251.8752.000
\(R, ~Ом\)6.3164.7463.4212.6672.1461.7391.3851.1230.8750.6960.5330.400
\(P, ~Вт\)1.4251.6521.9762.1602.2552.3002.3402.2802.2402.0701.8751.600

A5. Ответ:

Рисунок

Ответ:

Эти графики подтверждают сделанное предположение – напряжение на выходе источника уменьшается при увеличении силы тока через него.

A6. Ответ:

Рисунок

B1. Схема измерений в данной части имеет вид, показанный на рисунке.

Несложно подсчитать, что напряжение на нагрузке должно быть равно (если считать напряжение источника постоянным):

\[U = U_{0}\,\frac{R_x}{R_1+R_x} \qquad(2) \tag{2}\]

Рисунок

Соответственно, максимально напряжение на нагрузке будет при отключенном резисторе в цепи питания (при \(R_1 = 0\))

Ответ:

\[U_{\max} = U_0 \qquad(3) \tag{3}\]

Минимальное напряжение при полностью включенном резисторе в цепи питания (при \(R_1=R_{10}=6.4~Ом\))

Ответ:

\[U_{\min} = U_{0}\frac{R_x}{R_{10}+R_x} \qquad(4) \tag{4}\]

B2. Измерения проводились в следующей последовательности: Устанавливалось некоторое значение сопротивление резистора \(R_x\) (в порядке убывания); устанавливалось максимальное сопротивление резистора \(R_1\) в цепи нагрузки, при этом измерялись значение напряжения через резистор \(R_x\) (\(U_{\min}\)) и силы тока через него (\(I_{\min}\)); не изменяя сопротивления \(R_{x}\) , сопротивление резистора \(R_{1}\) устанавливалось минимальным (нулевым) и проводились измерения напряжения и силы тока через резистор \(R_x\) (\(U_{\max}\), \(I_{\max}\), соответственно). Сопротивление \(R_x\) рассчитывалось, как по максимальным (\(R_x^{(1)} = {U_{\max}}/{I_{\max}}\)), так и по минимальным (\(R_x^{(2)} ={U_{\min}}/{I_{\min}}\)) напряжения и силы тока. Ввиду недостаточной точности измерения эти величины незначительно различались, поэтому в качестве окончательного значения использовалось среднее значение \(R_x =\frac{R_x^{(1)} + R_x^{(2)} } {2}\). Также в таблице приведены теоретические значения минимального и максимального напряжений.

\(U_{\min}, ~В\)\(I_{\min}, ~А\)\(U_{\max}, ~В\)\(I_{\max}, ~А\)\(R_x^{(1)} , ~Ом\)\(R_x^{(2)} , ~Ом\)\(R_x ,~ Ом\)\(U_{\max}^{(теор)} , ~В\)\(U_{\min}^{(теор)} , ~В\)
1.6000.2502.9500.4606.4006.4136.4073.71.851
1.4000.2752.8000.5505.0915.0915.0913.71.639
1.2000.3002.6000.6754.0003.8523.9263.71.407
1.0000.3252.4000.8003.0773.0003.0383.71.191
0.8000.3502.2000.9452.2862.3282.3073.70.980
0.6200.3752.0001.1501.6531.7391.6963.70.775
0.5900.3601.8001.1751.6391.5321.5853.70.735
0.4100.3901.6001.2751.0511.2551.1533.70.565
0.4000.4001.4001.3501.0001.0371.0193.70.508
0.3000.4101.2001.5250.7320.7870.7593.70.392
0.2100.4201.0001.6750.5000.5970.5493.70.292
0.1800.4300.8001.7750.4190.4510.4353.70.235

B3. Ответ:

Рисунок

B4. Ответ:

Во всем диапазоне теоретические значения напряжений заметно превышают измеренные значения. Единственная возможная причина – уменьшение напряжения источника при увеличении силы тока через него.

Теоретическое дополнение (от участников олимпиады не требуется!)

Объяснение полученных зависимостей не сложно, если знать такие характеристики источника, как ЭДС и внутреннее сопротивление. Однако эти понятия не входят в программу курса физики 9 класса, поэтому и дано такое краткое объяснение.

С учетом внутреннего сопротивления источника \(r \approx 1.4~ Ом\) и его ЭДС \(U_0 \approx 3.7 ~В\) минимальное и максимальное значения напряжения рассчитываются по формулам\[\begin{cases}U_{\min} = U_0\,\frac{R_x}{R_{10} + R_x + r} \\ U_{\max}=U_0\,\frac{R_x}{R_x + r}\qquad(4)\end{cases}\]На рисунке приведены результаты расчетов по этим формулам, для наглядности оставлены экспериментальные данные.

Рисунок

Как видно, наблюдается вполне приличное соответствие.

C1. Ответ:

В данной части используется следующая схема.

При постоянном напряжении источника в данной схеме цепи питания напряжение на нагрузке должно изменяться от нуля до \(U_0\).

Рисунок

C2. Измерения подтверждают, что минимальное значение напряжения на нагрузке равно нулю, поэтому эти данные не приводятся. Методика измерения аналогично той, которая описана в части B. Результаты измерений и расчетов приведены в таблице ниже. По этим данным построен соответствующий график. Для экономии места теоретическое постоянное значение \(U_0 = 3.7 ~В\) не приведено.

Ответ:

\(U_{\max}, ~В\)2.4002.3002.2002.0001.8001.6001.4001.2001.0000.8000.400
\(I_{\max},~ А\)0.3750.4500.5500.7100.8751.0501.1751.3751.4501.7501.925
\(R_x,~ Ом\)6.4005.1114.0002.8172.0571.5241.1910.8730.6900.4570.208

C3. Ответ:

Рисунок

C4. Ответ:

В этой схеме максимально возможное значение напряжения значительно меньше теоретического. Основная причина та же – падение напряжения (точнее ЭДС источника).

Рисунок

Дополнение. Можно провести точные расчет верхней границы напряжения с учетом ЭДС и внутреннего сопротивления источника. Результаты этих расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Источник: pho.rs/p/3895.

зад 5 Большой груз

Механика › ДинамикаСила упругости, пружины и их соединенияИзмерения и погрешностисложность 5/10

Постарайтесь выполнить задачу как минимум двумя способами, использовав миллиметровую бумагу только в одном из них.

Часть A. С миллиметровкой

A1. Определите массу груза.

A2. Оцените погрешность измерения.

Часть B. Без миллиметровки

B1. Определите массу груза.

B2. Оцените погрешность измерения.

Оборудование

  1. Нить, при необходимости вы можете попросить нить дополнительно

  2. Груз

  3. Штатив

  4. Круглый стержень

  5. Динамометр

  6. Лист миллиметровой бумаги

  7. Пластилин

▶РешениеСкрыть
Решение

A1. Напоминаем, что для решения задачи допускается использовать только перечисленное в условии оборудование. При нарушении этого правили работа получает ноль баллов за всё, т.к. предложенная задача не решена.

Соберём оборудование, как показано на рисунке 1.

Рисунок

Рис. 1

  1. Проверяем плавность и не заклинивание хода динамометра, при необходимости снимаем нижнюю пробку, даем пружинке принимать свободное положение, затем нижнюю пробку закроем!

  2. Проверяем и при необходимости настроим динамометр на отметку \(0\) в горизонтальном положении!

  3. Закрепляем груз к нитке и повесим на штатив

  4. Миллиметровку настроим вертикально по свободно висящему грузу и закрепим к стоике пластилином

  5. Отметим на миллиметровке линию наклонной нити при показаний динамометра \(F_{1N} = 1~Н\)

  6. Исходя от треугольника мерим длины отрезков \(l_{1N} = 130~мм\) и \(l_{mg} = 178~мм\) и вычисляем массу груза

Ответ:

\[m = \frac{l_{mg}}{l_{1N}}\cdot\frac{F_{1N}}{g} = \frac{178~мм}{130~мм}\cdot\frac{1~Н}{{9.81}\frac{Н}{кг}} = 139.6~г \tag{1}\]

A2. \(\cfrac{l_{mg}}{l_{1N}}\) есть соотношение и измерить его с миллиметровки можно определив разброс одной величины фиксировав другой погрешность дается погрешностью одного из них.

Ответ:

\[\Delta m = \left(\frac{\Delta l_{mg}}{l_{mg}} + \frac{\Delta F_{1N}}{F_{1N}}\right)\cdot m = \left(\frac{1.5~мм}{178~мм} + \frac{0.03~Н}{1~Н}\right)\cdot 139.6~г = 5.4~г \\ m = (139.6 \pm 5.4)~г \tag{2}\]

B1.

  1. Проверяем плавность и не заклинивание хода динамометра, при необходимости снимаем нижнюю пробку, даем пружинке принимать свободное положение, затем нижнюю пробку закроем

  2. Проверяем и при необходимости настроим динамометр на отметку \(0\) в вертикальном положений

  3. Закрепляем груз и динамометр к концам нитки

  4. Закрепляем круглый стержень в штатив

  5. Намотаем ниткой 1 полный оборот нитки вокруг стержня

  6. Отпускаем груз постоянной скоростью придерживая конец нитки динамометром и регистрируем силу \(F_1 = (0.60 \pm 0.02) ~Н\)

  7. Намотаем ниткой ещё 1 полный оборот нитки вокруг стержня

  8. Отпускаем груз постоянной скоростью придерживая конец нитки динамометром и регистрируем силу \(F_2 = (0.26 \pm 0.02) ~Н\)

  9. Замечаем, что это идентично случаю с одним витком конец которого придерживают вторым витком. А следовательно:\[\frac{F_0}{F_1}=\frac{F_1}{F_2},\quad F_0 = mg = \frac{{F_1}^2}{F_2}\implies\]

Ответ:

\[m = \frac{{F_1}^2}{F_2}\frac{1}{g} = \frac{(0.60~Н)^2}{0.26~Н}\frac{1~кг}{9.81~Н} = 141.1~г \tag{3}\]

B2. Ответ:

\[\Delta m = \left(2\cdot\frac{\Delta F_1}{F_1} + \frac{\Delta F_2}{F_2}\right) \cdot 141.1~г = \left(2\cdot\frac{0.02~Н}{0.06~Н} +\frac{0.02~Н}{0.26~Н}\right) \cdot141.1~г = 20.2~г \\m = (141 \pm 20)~г \tag{4}\]

Источник: pho.rs/p/3888.

Источник: Олимпиада по экспериментальной физике (IEPhO) 2013, 10 класс — условия. Задачи перенабраны на botay.pro, решения — по официальным.